CN111211481B - 一种具有背面正负电极的vcsel器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有背面正负电极的VCSEL器件，包括外延层，所述外延层下表面的正极18和负极17；所述外延层上表面通过氧化沟道22限定出的含P型欧姆金属层5的台面结构24和所述台面结构24内的氧化层19限定出的发光区组成VCSEL器件单元；所述台面结构24水平方向一侧的外延层上形成有凹槽23，与凹槽23对应的外延层下表面设有凹部14；所述台面结构24的P型欧姆金属5层通过金属层与凹槽23和凹部14电连接至所述外延层下表面形成所述正极18。本发明通过利用刻蚀正面时先定义与刻蚀凹槽，减少背面刻蚀所需深度，提高刻蚀晶圆均匀性且不增加黄光道数，同时达成P型金属连接效果。

Description

一种具有背面正负电极的VCSEL器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及垂直腔面发射激光器(VCSEL)技术领域，尤其涉及一种具有面正负电极的VCSEL器件及其制备方法。

背景技术

目前，在众多智慧设备比如智慧手机中，对平顶红外照明(IR)投影模块具有巨大的市场需求，该模块在TOF测量、安全摄像设备等具体应用中发挥着至关重要的作用，垂直腔面发射激光器(VCSEL)则是平顶红外照明投影模块中最为核心的器件。

现有的VCSEL器件为了封装时不打线，且易与外部各种不同组件整合，趋向于采用正负电极共同位于器件背面结构，制备工艺需要先在正面键合透明顶衬，再由背面刻蚀至正面金属层做镀金连结，但此工艺步骤具有以下缺点：(1)因刻蚀深度较深工艺上晶圆中心与边缘差异较难控制，且随着刻蚀图形面积不同整片晶圆中心与外围差异也不同，均匀性难控制；(2)刻蚀完成后制程工序由于高地落差大(约9～10um)，后续黄光作业也因此增加难度，容易有曝光不完全使得显影后，容易出现光阻残留影响制程良率；(3)在金属制程选择上，因高度差较高需要厚度较厚，一般只能选择电镀作业。

发明内容

针对上述现有技术中所存在的问题，本发明提出一种具有背面正负电极的VCSEL器件，包括

外延层，所述外延层下表面的正极18和负极17；所述外延层上表面通过氧化沟道(22)限定出的含P型欧姆金属层5的台面结构24和所述台面结构24内的氧化层19限定出的发光区组成VCSEL器件单元；所述台面结构24水平方向一侧的外延层上形成有凹槽23，与凹槽23对应的外延层下表面设有凹部14；所述台面结构的P型欧姆金属层5通过金属层与凹槽23和凹部14电连接至所述外延层下表面形成所述正极18。

电流注入时电子与电洞于量子阱复合产生光子，光子在P型DBR层与N型DBR层组成的高反射率共振腔内来回反射并激发其他光子当增益大于共振腔内部损耗最后于正面出光。

优选的，所述外延层上设有透明顶衬12。

优选的，所述凹槽23形状为圆形、矩形及其它任意形状。

优选的，所述外延层包括多个所述VCSEL器件单元组成的VCSEL阵列。

优选的，所述凹槽23设置于所述VCSEL阵列外侧的外延层上。

优选的，所述凹槽23设置于所述VCSEL阵列的列之间的外延层上。

优选的，所述台面结构24自下而上依次包括N型DBR层3、量子阱层2、氧化层19、P型DBR层1和P型欧姆金属层5；所述台面结构24还包括位于所述P型DBR层1上的第一钝化层4、第二钝化层9和金属层，所述金属层包括正面种子金属层10和电镀金属层11。

优选的，所述透明顶衬12为均一材料的单层结构或不同材料的多层结构；所述多层结构的任一层结构上设置光学元件20，所述光学元件选自漫射器、超表面、透镜、光栅及衍射光学组件，用以实现远场光学效果，如长方形平顶、超大出射角度、小角度及近准直光束、非垂直出射方向和周期性散斑点阵。

优选的，所述外延层下表面包括N+高掺杂半导体层6、N型欧姆金属层13；所述凹部设有第三钝化层15和背面种子金属层16。

优选的，所述P型DBR层1和所述N型DBR层3材料选自III-Ⅴ族化合物、SiN、SiO、SiON；所述III-Ⅴ族化合物包括Al_xGa_(1-x)As，InyGa_(1-y)AsP，AlN，GaN，InGaN，AlGaN。

优选的，所述量子阱层2材料为III-Ⅴ族化合物；所述化合物包括GaAs、AlGaAs、InGaAs、InGaP、InGaNAsP；所述透明顶衬12材料选自AlOx、SiOx、SiNx、有机聚合物。

基于同样的发明构思，本发明另提出一种具有背面正负电极的VCSEL器件制备方法，包括如下步骤：

1)在外延层上表面通过氧化沟道22和氧化层19分别形成包含P型欧姆金属层5和金属层的VCSEL单元台面结构24和发光区；

2)在所述外延层上表面所述VCSEL单元台面结构24的水平方向一侧刻蚀凹槽23；

3)在所述凹槽(23)对应的所述外延层下表面形成凹部14；

4)在所述外延层背面形成负极17，通过金属层将所述台面结构24的P型欧姆金属5层与凹槽23和凹部14电连接，并引至所述外延层下表面形成正极18。

优选的，在在所述外延层上设置透明顶衬12；

优选的，所述步骤1)包括在外延层上表面通过执行黄光工艺、蒸镀P型欧姆金属层5、第一钝化层4沉积及刻蚀工艺形成氧化沟道22、VCSEL单元台面结构24及相应的发光区；并执行氧化工艺形成所述氧化层19。

优选的，所述步骤2)包括

2.1在所述外延层上表面所述VCSEL单元台面结构24的水平方向一侧刻蚀凹槽(23)；

2.2在所述外延层上表面沉积第二钝化层9，刻蚀暴露出所述P型欧姆金属层5；

2.3在所述外延层上表面和所述凹槽23生长金属层，所述金属层包括正面种子金属层10和电镀金属层11。

优选的，所述步骤3)包括：

3.1依次剥离所述外延层下表面的衬底8和阻挡层7，从而暴露出所述外延层背面的N+高掺杂半导体层6；随后可在背面进行制程，简化了键合(bonding)工序，缩短制备时间；与背面出光对材料的限制相比，正面透明顶衬出光，对激光波长没有限制，提高了出光效率；且正面出光时，背面的制程精度要求不高，易于实现。

3.2在所述N+高掺杂半导体层6沉积N型欧姆金属层13；

3.3通过刻蚀在所述凹槽23对应的所述外延层下表面形成凹部14；

3.4在所述外延层下表面和所述凹部14沉积第三钝化层15，并刻蚀使得所述N型欧姆金属层13以及所述正面种子金属层10暴露。

优选的，所述步骤4)之前包括：

4.1在所暴露出的N型欧姆金属层13和所述凹部14沉积背面种子金属层(16)；

4.2在所述N型欧姆金属层13上的背面种子金属层16上镀金属形成负极17，在所述所述凹部14上的背面种子金属层16上镀金属形成正极18。。

优选的，所述透明顶衬12上设置光学元件20；所述设置光学元件方式包括纳米压印，灰度光刻或光刻胶回流。

优选的，所述第一钝化层4、第二钝化层9或第三钝化层15材料选自AlOx、SiOx、SiNx、SiON、有机聚合物。

优选的，所述P型欧姆金属层5、背面种子金属层16、正面种子金属层10、N型欧姆金属层13材料选自Ti、Pt、Au、、Pd、Ge及其合金。

有益效果：

(1)本发明利用刻蚀正面时先定义与刻蚀P型凹槽，减少背面刻蚀所需深度，提高刻蚀晶圆均匀性且不增加黄光道数，同时达成P型电镀金属连接效果。

(2)通过一次正面键合顶衬，然后移除背面衬底即可完成制程，简化了键合工序，缩短制备时间；

(3)正面出光使得背面制程不需很高的精准度(>15um)；

(4)正面设置透明顶衬，可以设计微光学元件改变出光发散角或极化等特性，在透明顶衬上设计光学元件，可以实现一些特殊的远场效果，可取代外部被动封装光学元件。

(5)正负电极位于背面，封装时无需打线，而且易与其他组件结合。

附图说明

图1是本发明实施例提供的刻蚀凹槽工艺示意图；

图2是本发明实施例提供的沉积第二钝化层工艺示意图；

图3是本发明实施例提供的沉积金属层示意图；

图4是本发明实施例提供的设置透明顶衬和移除背面衬底工艺示意图；

图5是本发明实施例提供的形成凹部工艺示意图；

图6是本发明实施例提供的沉积第三钝化层工艺示意图；

图7是本发明实施例提供的沉积负极和正极示意图；

图8是本发明实施例提供的VCSEL阵列及凹槽排列示意图；

图9是本发明优选的实施例提供的VCSEL阵列及凹槽排列示意图；

图10是本发明优选的实施例提供的B-B切线处VCSEL器件示意图；

图11是本发明优选的实施例提供的无序排列的VCSEL阵列俯视图；

图12是本发明优选的实施例提供的条状凹槽VCSEL阵列俯视图。

P型DBR层1，

量子阱层2，

N型DBR层3，

第一钝化层4，

P型欧姆金属层5，

N+高掺杂半导体层6，

阻挡层7，

衬底8，

第二钝化层9，

正面种子金属层10，

电镀金属层11，

透明顶衬12，

N型欧姆金属层13，

凹部14，

第三钝化层15，

背面种子金属层16，

负极17,

正极18，

氧化层19，

光学元件20

发光孔21

氧化沟道22

凹槽23

台面结构24

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护范围。

实施例本实施例提供了一种具有背面正负电极的VCSEL器件及其制备方法

如图1所示，在外延层正面通过执行黄光工艺、蒸镀P型欧姆金属层5、第一钝化层4沉积刻蚀工艺形成氧化沟道22、VCSEL单元台面结构24；并执行氧化工艺形成氧化层19并且形成发光孔21。在所述外延层上表面所述VCSEL单元台面结构24的水平方向一侧刻蚀凹槽23，第一钝化层4材料为SiN，P型欧姆金属层5材料为Ti。

如图2所示，通过沉积，在所述氧化沟道22、所述第一钝化层4、所述VCSEL单元台面结构上表面和所述凹槽23形成第二钝化层9，刻蚀第二钝化层9暴露出P型欧姆金属层5；

如图3所示，在所述第二钝化层9和所述VCSEL单元台面结构上表面沉积正面种子金属层10，刻蚀正面种子金属层10，暴露台面结构的的第二钝化层9；在所述正面种子金属层10和所述VCSEL单元台面结构上镀电镀金属层11。所述正面种子金属层10和电镀金属层11组成金属层。

如图4所示，在所述电镀金属层11上键合透明顶衬12，依次剥离所述外延结构背面的衬底8和阻挡层7，暴露出所述外延结构背面的N+高掺杂半导体层6，透明顶衬12材料优选均一材料的单层结构蓝宝石，但本发明不限于此。

如图5所示，通过刻蚀在所述凹槽23对应的所述外延层下表面形成凹部14，在N+高掺杂半导体层6沉积N型欧姆金属层13；

如图6所示，在外延层下表面和所述凹部14沉积第三钝化层15，第三钝化层材料为SiN或AlxOy等材料，并刻蚀使得N型欧姆金属层13以及正面种子金属10层暴露。

如图7所示，在所暴露出的N型欧姆金属层13上和所述凹部14沉积背面种子金属层16，背面种子金属层16材料为Au,在N型欧姆金属层13上的背面种子金属层16上镀金属以形成背面的负极17，通过金属层将所述台面结构的P型欧姆金属5层与凹槽23和凹部14电连接，并引至所述外延层下表面形成正极18。

最后在透明顶衬12上表面或者下表面设置光元件20，设置光学元件方式可以为纳米压印，灰度光刻或光刻胶回流。

在优选的实施例中，透明顶衬12为不同材料的多层结构，在任一层结构上设置光学元件20，第一钝化层4、第二钝化层9或第三钝化层15材料选自SiOx、SiNx和有机聚合物，P型欧姆金属层5、N型欧姆金属层13材料选自Au、Pd、Ge及其合金。正面种子金属层10、背面种子金属层16材料选自Ti、Pd、Ge及其合金。

表1不同器件结构制备工艺对比

如表1所示，为不同器件结构制备工艺对比，由表可见，正面(上表面)出光对背面(下表面)光刻对齐精度要求较低，易于操作，而本实施例制得的VCSEL器件正面出光，正面蓝宝石透明顶衬键合后直接移除背面GaAs衬底进行背面制程，无须再次移除顶衬底，键合次数为1次，同时正电极与负电极同面，避免打线，节省了工序又易于与其他光学组件结合。

器件结构包括：外延层上的氧化沟道22限定出的台面结构24和通过氧化层19限定出的发光区组成VCSEL单元；外延层上的台面结构24水平方向一侧形成的凹槽23，外延层的下面凹槽23对应位置设有凹部14，位于所述外延层上的均一材料的单层结构透明顶衬12及设置于透明顶衬12上的光学元件20；所述外延层下面形成的正极18和负极17。所述台面结构24包括量子阱层2，位于所述量子阱层2和所述氧化层19上的P型DBR层1和位于量子阱层下2的N型DBR层3。所述台面结构24还包括位于P型DBR层上1的P型欧姆金属层5、第一钝化层4、第二钝化层9、正面种子金属层10和电镀金属层11，台面结构24的P型欧姆金属层5通过金属层与凹槽23和凹部14电连接至所述外延层下表面形成所述正极18。透明顶衬12位于电镀金属层11上。光学元件20包括漫射器、超表面、透镜、光栅、衍射光学组件，用于实现包括长方形平顶、超大出射角度、小角度及近准直光束、非垂直出射方向、周期性散斑点阵的远场效果。P型DBR层1和N型DBR层3材料分别为SiN和SiO，量子阱层2材料为GaAs,透明顶衬12材料为AlOx，优选的实施例中，P型DBR层1和N型DBR层3材料选自Al_xGa_(1-x)As，In_yGa_(1-y)AsP，AlN，GaN，InGaN，AlGaN和SiON；量子阱层2材料选自AlGaAs、InGaAs、InGaP、InGaNAsP，透明顶衬12材料选自SiOx、SiNx、有机聚合物。

外延层背面镀有N+高掺杂半导体层6、N型欧姆金属层13、第三钝化层15、背面种子金属层16和正极18。凹部14镀有第三钝化层15、背面种子金属层16和正极18。

在优选的实施例中，透明顶衬12为包括玻璃层和聚合物层的多层结构，最上层的聚合物层上设置光学元件20。如图8所示，外延层包括多个VCSEL器件单元组成的VCSEL阵列，阵列周期性排列，多个俯视形状为圆形的凹槽23周期性排列于VCSEL阵列外侧的外延层上。

如图9所示，在优选的实施例中，VCSEL阵列周期性排列，多个俯视形状为圆形的凹槽23周期性排列于VCSEL阵列的列之间；如图10所述，为图9中的VCSEL阵列沿B-B处的VCSEL器件截面示意图，至少两个独立的台面结构24中间设有凹槽23。

如图11所示，在更优选的实施例中，VCSEL阵列无序排列，多个俯视形状为圆形的凹槽23无序排列。

如图12所示，VCSEL阵列还可以周期性排列，俯视形状为长条形凹槽23分布在VCSEL阵列的列之间。

本实施例制备的VCSEL器件可广泛应用于手机感测，车用感测，医疗激光，光纤通讯，量子计算机，距离感测和安全系统应用感测。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的，技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种具有背面正负电极的VCSEL器件，其特征在于：包括

外延层，所述外延层下表面的正极(18)和负极(17)；

所述外延层上表面通过氧化沟道(22)限定出的含P型欧姆金属层(5)的台面结构(24)和所述台面结构(24)内的氧化层(19)限定出的发光区组成VCSEL器件单元；所述台面结构(24)水平方向一侧的外延层上形成有凹槽(23)，与凹槽(23)对应的外延层下表面设有凹部(14)；

所述台面结构(24)的P型欧姆金属层(5)通过金属层与凹槽(23)和凹部(14)电连接至所述外延层下表面形成所述正极(18)；

所述台面结构(24)自下而上依次包括N型DBR层(3)、量子阱层(2)、氧化层(19)、P型DBR层(1)和P型欧姆金属层(5)；所述台面结构(24)还包括位于所述P型DBR层(1)上的第一钝化层(4)、第二钝化层(9)和金属层，所述金属层包括正面种子金属层(10)和电镀金属层(11)；

所述外延层下表面包括N+高掺杂半导体层(6)、N型欧姆金属层(13)；所述凹部(14)设有第三钝化层(15)和背面种子金属层(16)。

2.如权利要求1所述的具有背面正负电极的VCSEL器件，其特征在于：所述外延层上设有透明顶衬(12)。

3.如权利要求1所述的具有背面正负电极的VCSEL器件，其特征在于：所述凹槽(23)形状为圆形、矩形及其它任意形状。

4.如权利要求1所述的具有背面正负电极的VCSEL器件，其特征在于：所述外延层包括多个所述VCSEL器件单元组成的VCSEL阵列。

5.如权利要求4所述的具有背面正负电极的VCSEL器件，其特征在于：所述凹槽(23)设置于所述VCSEL阵列外侧的外延层上。

6.如权利要求4所述的具有背面正负电极的VCSEL器件，其特征在于：所述凹槽(23)设置于所述VCSEL阵列的列之间的外延层上。

7.如权利要求2所述的具有背面正负电极的VCSEL器件，其特征在于：所述透明顶衬(12)为均一材料的单层结构或不同材料的多层结构；所述多层结构的任一层结构上设置光学元件(20)。

8.如权利要求1所述的具有背面正负电极的VCSEL器件，其特征在于：所述P型DBR层(1)和所述N型DBR层(3)材料选自Ⅲ-Ⅴ族化合物、SiN、SiO、SiON；所述Ⅲ-Ⅴ族化合物包括Al_xGa_(1-x)As，In_yGa_(1-y)AsP，AlN，GaN，InGaN，AlGaN。

9.如权利要求2所述的具有背面正负电极的VCSEL器件，其特征在于：所述量子阱层(2)材料为Ⅲ-Ⅴ族化合物；所述化合物包括GaAs、AlGaAs、InGaAs、InGaP、InGaNAsP；所述透明顶衬(12)材料选自AlOx、SiOx、SiNx、有机聚合物。

10.一种具有背面正负电极的VCSEL器件制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)在外延层上表面通过氧化沟道(22)和氧化层(19)分别形成包含P型欧姆金属层(5)和金属层的VCSEL单元台面结构(24)和发光区；

2)在所述外延层上表面所述VCSEL单元台面结构(24)的水平方向一侧刻蚀凹槽(23)；

3)在所述凹槽(23)对应的所述外延层下表面形成凹部(14)；

4)在所述外延层背面形成负极(17)，通过金属层将所述台面结构(24)的P型欧姆金属层(5) 与凹槽(23)和凹部(14)电连接，并引至所述外延层下表面形成正极(18)；

所述步骤1)包括在外延层上表面通过执行黄光工艺、蒸镀P型欧姆金属层(5)、第一钝化层(4)沉积及刻蚀工艺形成氧化沟道(22)、VCSEL单元台面结构(24)及相应的发光区；然后执行氧化工艺形成所述氧化层(19)；

所述步骤2)包括

2.1在所述外延层上表面所述VCSEL单元台面结构(24)的水平方向一侧刻蚀凹槽(23)；

2.2在所述外延层上表面沉积第二钝化层(9)，刻蚀暴露出所述P型欧姆金属层(5)；

2.3在所述外延层上表面和所述凹槽(23)生长金属层，所述金属层包括正面种子金属层(10)和电镀金属层(11)；

所述步骤3)包括：

3.1依次剥离所述外延层下表面的衬底(8)和阻挡层(7)，从而暴露出所述外延层背面的N+高掺杂半导体层(6)；

3.2在所述N+高掺杂半导体层(6)沉积N型欧姆金属层(13)；

3.3通过刻蚀在所述凹槽(23)对应的所述外延层下表面形成凹部(14)；

3.4在所述外延层下表面和所述凹部(14)沉积第三钝化层(15)，并刻蚀使得所述N型欧姆金属层(13)以及所述正面种子金属层(10)暴露；

所述步骤4)之前包括：

4.1在所暴露出的N型欧姆金属层(13)和所述凹部(14)沉积背面种子金属层(16)；

4.2在所述N型欧姆金属层(13)上的背面种子金属层(16)上镀金属形成负极(17)，在所述凹部(14)上的背面种子金属层(16)上镀金属形成正极(18)。

11.如权利要求10所述的具有背面正负电极的VCSEL器件制备方法，其特征在于：还包括在所述外延层上设置透明顶衬(12)。

12.如权利要求11所述的具有背面正负电极的VCSEL器件制备方法，其特征在于：所述透明顶衬(12)上设置光学元件(20)；设置所述光学元件方式包括纳米压印，灰度光刻或光刻胶回流。

Images